Dr. K. L. Metlov (dr_klm) wrote,
Dr. K. L. Metlov
dr_klm

Categories:

оптические компьютеры

Довольно старая рекуррентная (под разными именами) тема. Приверженцы говорят, что электроника медленная, поскольку электроны движутся гораздо медленнее фотонов, которые летят со скоростью света ! А вот если сделать компьютер на фотонах -- тогда..! Или, что тактовая частота компьютеров измеряется гигагерцами, а у (видимого) света частота -- сотни терагерц. Звучит соблазнительно, не так ли ?

Отсюда следуют разные инициативы по разработке полностью оптических систем коммутации оптических сигналов, чтобы исключить "медленную" электронику. И всё почти получается, только вот материалы плохие...

Во-первых обыгрывается (довольно распространённое) заблуждение о том, что скорость движения электронов в проводах напрямую связана со скоростью работы электронных схем. Связь, конечно, есть. Но она не так очевидна, как кажется.

Представьте, что Вы дома открыли на кухне водопроводный кран. Через некоторое время потекла вода. Ведь это не значит, что за это время она дошла от насосной станции до Вашей раковины ? Нет, время между открытием крана и началом течения воды в начале/конце заполненной водой трубы определяется не скоростью (хаотического) движения отдельных молекул жидкости, а значительно более быстрой скоростью звука в ней. Именно со скоростью звука распространяется давление, то есть сигнал в начало трубы о том, что в конце её открыт кран и новым каплям можно в трубу входить. Аналогично, в электрических проводах скорость распространения сигналов определяется скоростью света (в среде, конечно), а вовсе не дрейфовой скоростью электронов. Это распространение описывается телеграфными уравнениями Хэвисайда. Таким образом, в электронных схемах сигналы _уже_ передаются со скоростью света.

За одну наносекунду (период колебаний с частотой один гигагерц) свет в вакууме проходит расстояние порядка 30 сантиметров, а в веществе ещё меньше. Тактовая частота -- ритм, который глобально синхронизирует все операции в процессоре (ядре процессора). Все логические элементы должны слышать его и реагировать на него в пределах одного такта. С учётом того, что размер кристалла современного процессора порядка 1-го сантиметра, можно понять, что тактовые частоты в несколько гигагерц уже вплотную приблизились к пределу, когда сигнал каждого такта, двигаясь со скоростью света, успевает достичь всех логических элементов на кристалле. Именно этим определяется предел тактовой частоты. Какова бы ни была частота фотона, движется он всё равно со скоростью света, а значит ограничения для него будут точно такими же.

Теперь о чисто оптической обработке информации, которая тоже часто преподносится в виде "священного Грааля". Свет -- это линейные электромагнитные волны. В вакууме между собой они не взаимодействуют, а накладываются друг на друга и проходят друг сквозь друга в силу принципа суперпозиции. Если мы хотим, чтобы один пучок света управлял другим пучком света (например, включал и выключал его) -- необходима среда, причём среда эта должна быть нелинейной. Если взять абстрактную нелинейную среду, то кажется, что ничего невозможного в реализации чисто оптической обработки информации нет. Светим одним пучком, свойства среды меняются и второй пучок уже распространяется в изменённой среде (то есть по-другому, не так, как он распространялся бы в отсутствии управляющего пучка). Осталось только подобрать материал и можно будет избавиться от "медленных" (см. предыдущее) электронных схем.

Но тут то и возникает сложность. Оказывается, что абстрактных сред не существует. Все среды вполне конкретные и состоят из атомов и молекул, которые некоторым способом упорядочены (или разупорядочены) и связаны между собой перекрывающимися электронными облаками. Поэтому, если мы хотим, чтобы среда реагировала на свет -- что-то в ней должно измениться. И что же это может быть ? Это может быть либо изменение в системе электронных облаков, либо изменения в расположении атомов/молекул среды. Так мы приходим к тому, что скорость работы "чисто оптических" схем управления светом снова определяется электронными процессами. И из-за этого она всё равно по порядку величины примерно такая же, как и в других электронных схемах. Потому что такие схемы всё равно де-факто являются электронными (если только они не подразумевают перестройки структуры из атомов/молекул, тогда они будут ещё медленнее) и сулят разве только инкрементальные улучшения (которые тоже, конечно, могут оказаться полезными).

Я это пишу не для обоснования невозможности оптических компьютеров. Ничего невозможного в физике нет ! Я хочу сказать, что, если Вы собираетесь заняться их разработкой, то желательно иметь представление о том -- как именно Вы собираетесь обойти (как минимум) указанные выше ограничения и уметь ответить на вопрос -- чем на самом деле оптический компьютер, который Вы хотите сделать, отличается от того компьютера, с помощью которого Вы уже сегодня читаете эту заметку. Вполне может оказаться, что и ничем. ;-)
Tags: popul, sci
Subscribe

  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 13 comments